DE10142544B4

DE10142544B4 - Zahnradgetriebestufe mit Verspannmoment

Info

Publication number: DE10142544B4
Application number: DE10142544A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Förch
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: DE10142544A1; JP4896319B2; US6789442B2; US20020069718A1; JP2002139107A

Abstract

Zahnradgetriebestufe (1) mit zwei kämmenden Zahnrädern (3, 5) zur mechanischen Übertragung eines Drehmomentes, wobei an jedem Zahnrad (3, 5) den Zähnen entsprechend ringförmig Einzelmagnete (17) angeordnet sind, die in der Zahnradgetriebestufe (1) Magnetkräfte erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelmagnete (17) eines Magnetrades (13, 15) in Drehrichtung abwechselnd gepolt angeordnet sind und parallel zur Zahnradgetriebestufe (1) eine Magnetradstufe (11) zur Erzeugung eines Verspannmomentes (Mv) in der Zahnradgetriebestufe bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradgetriebestufe mit zwei kämmenden Zahnrädern zur mechanischen Übertragung eines Drehmomentes, wobei an jedem Zahnrad den Zähnen entsprechend ringförmig Einzelmagnete angeordnet sind, die in der Zahnradgetriebestufe Magnetkräfte erzeugen.
Eine derartige Zahnradgetriebestufe ist bekannt aus der DE 44 36 603 A1 , wobei wenigstens eines der einander zugeordneten Zahnräder der Zahnradgetriebestufe eine Magnetisierung aufweist und die Zahnräder durch Magnetkraft gegenseitig angezogen werden. Dazu ist ein permanent magnetischer oder ein permanent magnetisierter Werkstoff in einer Auflage vorgesehen, die auf der Stirnseite des magnetisierten Zahnrades fest aufliegt. Dabei weist die Auflage eine über den Umfang gleichbleibend ausgerichtete, axiale Polarisierung auf, so dass dem Zahnrad jeweils der eine Pol zugewandt und der andere Pol abgewandt ist. Weiterhin weist der zur Drehachse senkrechte Querschnitt der Auflage eine Außenkontur auf, die einen geringen Abstand zum Umfangsrand des Zahnrads besitzt. Gemäß dem Stand der Technik ist also vorgesehen, dass die einander zugeordneten lastlosen Zahnräder, z. B. die Zahnflanken eines Fest- und eines Losrades durch Magnetkraft ständig angezogen werden. Die Zahnflanken liegen also immer aneinander, unabhängig davon, ob eine Kraftübertragung stattfindet, d. h. im geschalteten Zustand, oder keine Kraftübertragung stattfindet, d. h. im nicht geschalteten Zustand. Nachteilig am Stand der Technik ist insbesondere, dass dabei im Unwuchtfall bei Zahnrädern bzw. Getriebestufen größerer Masse Zahnflankenwechsel nicht zu vermeiden sind.
Weiterhin sind allgemein Lackwerke in der Druckmaschinentechnik bekannt, bei denen es beispielsweise zwischen dem Lacktuchzylinder und dem Druckzylinder zu einem Zahnflankenwechsel kommen kann. Ursache des Zahnflankenwechsel ist häufig der unwuchtige Lacktuchzylinder. Diese Unwucht kann beispielsweise typisch maximal etwa 6 Nm betragen. Aufgrund des Zahnflankenwechsel wandert der Druckanfang zufällig innerhalb einer Druckgeschwindigkeit von Bogen zu Bogen im Bereich des Zahnspiels und wandert auch von Druckgeschwindigkeit zu Druckgeschwindigkeit. Dies führt zu Passerproblemen und damit zu verringerter Druckqualität. Zur Beseitigung des Zahnflankenwechsels muss das maximale Unwuchtmoment des Zylinders kompensiert werden. Durch Anbringung einer motorischen Bremse mit einem Bremsmoment von beispielsweise 10 Nm können die beiden aufgeführten Effekte vermieden werden. Nachteilig dabei ist jedoch, dass ein das Getriebe antreibender Motor dieses Moment zusätzlich aufzubringen hat.
Aus der Veröffentlichung „Sonderdruck aus „Der Konstrukteur„; 7–8/93; S. 28, 29„ ist ein permanentmagnetisches Getriebe der Fa. Gerwah-Präzision, Gesellschaft für Servokomponenten und Messtechnik mbH D-63868 Großwallstatt bekannt. Bei einem magnetischen Stirnradgetriebe bilden die beiden Magneträder zwei mehrpolig radial oder lateral am Umfang magnetisierte Magnetringe, die fest mit der Getriebeabtriebswelle und der Motorwelle verbunden sind. Als Magnetmaterial werden starr magnetisierte Permanentmagnetringe verwendet (z. B. Seltenerdmagnete oder Ferritmagnete). Beide Magnetringe haben zwar unterschiedliche Durchmesser und Polzahlen, aber zwecks optimaler Drehmomentübertragung bei geringstmöglichem Einsatz von Permanentmagnetmaterial die gleiche Höhe. Die Magnetringe sind so angeordnet, dass sich im engsten Luftspalt Polflächen entgegengesetzter Polarität gegenüberstehen. Wird das Magnetrad, das fest mit der Motorwelle verbunden ist, in einer beliebigen Drehrichtung bewegt, so folgt das Magnetrad, das fest mit der Abtriebswelle verbunden ist, aufgrund der direkten magnetischen Kopplung dieser Drehbewegung entsprechend dem Übersetzungsverhältnis in entgegengesetzter Drehrichtung. Das maximale übertragbare Drehmoment stellt sich bei einer Verdrehung der Magnetpole um eine halbe Polstellung gegenüber dem jeweiligen anderen Magnetrad ein. Eine Überlastung des Getriebes führt nicht zu einer Zerstörung der Räder. Das magnetische Getriebe übernimmt vielmehr gleichzeitig die Funktion einer Rutschkupplung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Zahnradgetriebestufe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bereitzustellen, in der Zahnflankenwechsel vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist dies bei einer Getriebestufe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch erreicht, dass die Einzelmagnete eines Magnetrades in Drehrichtung abwechselnd gepolt angeordnet sind und parallel zur Zahnradgetriebestufe eine Magnetradstufe bilden zur Erzeugung eines Verspannmomentes (Mv) in der Zahnradgetriebestufe. Dadurch ist ein berührungsfreies, verschleißfreies und kostengünstiges System bereitgestellt, das bei einfacher Konstruktion hohe Verspannmomente bei geringer Breite des Aufbaus bereitstellt. Insbesondere ist auch ein autarkes System realisiert, das keiner zusätzlichen Energie bedarf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Permanentmagnete eines Zahnrades in axialer Richtung breiter ausgebildet als die Permanentmagnete des anderen Zahnrades der Getriebestufe, und sind die beiden Zahnräder bzw. Magneträder axial zueinander verfahrbar gelagert. Dadurch ist sichergestellt, dass bei jeder axialen Lage der beiden Zahnräder bzw. Magneträder zueinander ein gleichbleibendes und definiertes Verspannmoment wirkt. Weiterhin wirken erfindungsgemäß bei dem Verfahrvorgang axial keine Kräfte. Indem man ein Magnetrad um den Verfahrweg breiter macht als das andere Magnetrad, bleibt das andere Magnetrad, wenn es verfahren wird, immer unverändert im Magnetfeld und damit bleibt das eingestellte Verspannmoment konstant.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, durch das axiale Verfahren der beiden Zahnräder bzw. Magneträder, insbesondere wenn beide Magneträder gleich breit sind, den Überdeckungsgrad der Magnetelemente auf einfache Weise zu verändern. Dadurch kann problemlos in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen die Größe des Verspannmomentes in der Getriebestufe eingestellt werden und die Getriebestufe mit einem bestimmten Verspannmoment gefahren werden.
Vorteilhafter Weise sind die Einzelmagnete jeweils auf einem Magnetrad angeordnet, das mit dem Zahnrad oder der Welle der Getriebestufe drehfest verbunden ist. Dadurch ist eine konstruktiv einfache Lösung bereitgestellt, die schnell nachgerüstet oder ausgetauscht werden kann.
Um ein möglichst gleichmäßig wirkendes Verspannmoment zu erzeugen, sind die Einzelmagnete äquidistant über den Umfang der Zahnräder bzw. Magneträder verteilt angeordnet. Vorteilhafter Weise sind die Einzelmagnete der beiden Magnetstufen um die Hälfte der Magnetteilung gegeneinander verschoben angeordnet. Dadurch ist bei vorgegebenen Magnetelementgrößen und bei vorgegebener Positionierung der Magneträder relativ zueinander ein maximales Verspannmoment in der Getriebestufe realisierbar.
Nachfolgend ist anhand schematischer Darstellungen ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Zahnradgetriebestufe beschrieben. Es zeigen:
1 vereinfacht die Zahnradgetriebestufe mit der parallel angeordneten Magnetradstufe,
2 schematisiert die Magnetradstufe in einer Ansicht von rechts gemäß 1, und
3 vergrößert einen Ausschnitt III der Magnetradstufe nach 2 mit der Anordnung der Permanentmagnete und den erzeugten Verspannmomenten.
In 1 ist am Beispiel eines Lackwerkes aus der Druckmaschinentechnik eine Zahnradgetriebestufe 1 mit einem ersten Zahnrad 3 und einem zweiten Zahnrad 5 gezeigt. Dabei ist das erste Zahnrad 3 drehfest auf einem als Antriebswelle 7 bezeichneten Druckzylinder befestigt und das zweite Zahnrad 5 auf einem als Abtriebswelle 9 bezeichneten Lacktuchzylinder 9. Die Zahnradgetriebestufe 1 weist weiterhin eine Magnetradstufe 11 auf, die durch ein erstes Magnetrad 13 und ein zweites Magnetrad 15 gebildet ist. Die beiden Magneträder 13, 15 sind drehfest auf dem Druckzylinder 7 und dem Lacktuchzylinder 9 axial versetzt neben den beiden Zahnrädern 3, 5 befestigt. Am Umfang der Magneträder 13, 15 sind Permanentmagnete 17, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Magnete, äquidistant mit einer Teilung α verteilt angeordnet (2, 3).
Gemäß 3 sind die Permanentmagnete 17 an der Stirnseite der Magneträder 13, 15 befestigt und lassen zwischen sich im Bereich des Eingriffes der Zahnräder 3, 5 einen definierten Luftspalt s. In axialer Richtung der Magneträder 13, 15 ist die Polarität der Magnete 17 dabei konstant. Die Polarität zweier am Umfang des Magnetrades 13, 15 benachbarter Magnete 17 ist jeweils so gerichtet, dass sich die gleiche Polarität zweier Permanentmagnete 17 immer gegenübersteht (N/S – S/N – N/S – S/N – N/S). Da sich gleichpolige Magnete abstoßen und gegenpolige Magnete anziehen, wird infolge der Anordnung der Magnete 17 auf den beiden Magneträdern 13, 15 in der Getriebestufe 1 ein Verspannmoment Mv erzeugt. Dieses Moment Mv ist ein lediglich innerhalb der Getriebestufe 1 wirkendes Drehmoment, das eine Antriebsmaschine des Lackwerkes nicht zusätzlich belastet. Die beiden Magneträder 13, 15 einer Stufe sind dabei vorzugsweise um die Hälfte der Magnetteilung α gegeneinander verschoben angeordnet, um das maximale Verspannmoment Mv zu erzeugen (3). Bei nur einer Breite von beispielsweise 10 mm der Magneträder 13, 15 kann beispielsweise bereits ein Verspannmoment Mv von etwa 10 Nm realisiert werden und damit ein ausreichendes Moment, um Zahnflankenwechsel im Lackwerk bzw. der Getriebestufe 1 zu vermeiden. Eine Verdopplung der Breite der Magneträder 13, 15 führt entsprechend zu einer Verdopplung des Verspannmomentes Mv.
Es besteht die Möglichkeit, den Lacktuchzylinder 9 axial zu verfahren. Bei jeder axialen Lage des Zylinders soll das Verspannmoment von beispielsweise 10 Nm wirken. Weiterhin sollen bei dem Verfahrvorgang axial keine Kräfte wirken. Indem man eines der Magneträder 13, 15 um den Verfahrweg breiter gestaltet als das andere Magnetrad, bleibt das andere Magnetrad beim Verfahren stets unverändert im Magnetfeld. Das Verspannmoment Mv bleibt also konstant. Zudem wirkt in axialer Richtung bei der oben beschriebenen Anordnung der Permanentmagnete 17 beim Verfahrvorgang keine die Verfahrbewegung bremsende Kraft. Da die Permanentmagnete 17 berührungsfrei arbeiten, ist auch ein radiales Auseinanderfahren der beiden Zahnräder 3, 5 aus dem Zahneingriff unproblematisch. Je weiter die beiden Magneträder 13, 15 voneinander entfernt sind, desto geringer sind die Verspannmomente Mv. Beim erneuten Zusammenfahren der Zahnradstufe 1 muss, z. B. durch eine nicht gezeigte Einfädelhilfe die Stellung von vorzugsweise α/2 gewährleistet werden.
Gegebenenfalls ist in der Getriebestufe eine magnetische Abschirmung vorzusehen, um Störungen vorhandener elektrischer Komponenten des Lackwerkes zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Zahnräder 3, 5 über eine Schrägverzahnung miteinander verbunden. In dieser Ausführungsform ergibt eine Relativbewegung der beiden Zahnräder 3, 5 zueinander eine Verdrehung der Magneträder 13, 15 gegeneinander. Dadurch verlassen die Magneträder die bevorzugte Position zueinander, bei der die Magneträder 13, 15 eine Hälfte der Magnetteilung (α) gegeneinander versetzt angeordnet sind. Somit nimmt bei einer Schrägverzähnung der Zahnräder 3, 5 bei einer axialen Verschiebung der Zahnräder 3, 5 das Verspannmoment ab. Für eine Funktion der Erfindung ist ein Mindestverspannmoment notwendig, so dass bei einer Schrägverzahnung der maximale axiale Verfahrweg der Zahnräder 3, 5 vorzugsweise begrenzt ist.

1: Zahnradgetriebestufe
3: erstes Stirnzahnrad
5: zweites Stirnzahnrad
7: Antriebswelle
9: Abtriebswelle
11: Magnetradstufe
13: erstes Magnetrad
15: zweites Magnetrad
17: Permanentmagnet
α: Magnetteilung
s: Luftspalt
Mv: Verspannmoment

Claims

Zahnradgetriebestufe (1) mit zwei kämmenden Zahnrädern (3, 5) zur mechanischen Übertragung eines Drehmomentes, wobei an jedem Zahnrad (3, 5) den Zähnen entsprechend ringförmig Einzelmagnete (17) angeordnet sind, die in der Zahnradgetriebestufe (1) Magnetkräfte erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelmagnete (17) eines Magnetrades (13, 15) in Drehrichtung abwechselnd gepolt angeordnet sind und parallel zur Zahnradgetriebestufe (1) eine Magnetradstufe (11) zur Erzeugung eines Verspannmomentes (Mv) in der Zahnradgetriebestufe bilden.
Zahnradgetriebestufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zahnräder (3, 5) axial zueinander verfahrbar gelagert sind.
Zahnradgetriebestufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete eines Zahnrades in axialer Richtung breiter ausgebildet sind als die Permanentmagnete des anderen Zahnrades der Getriebestufe, und dass die beiden Zahnräder (3, 5) axial zueinander verfahrbar gelagert sind.
Zahnradgetriebestufe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelmagnete (17) jeweils auf einem Magnetrad (13, 15) vorgesehen sind, das mit dem Zahnrad (3, 5) drehfest verbunden ist.
Zahnradgetriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelmagnete (17) äquidistant über den Umfang der Zahnräder (3, 5) verteilt mit einer Teilung (α) angeordnet sind.
Zahnradgetriebestufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelmagnete (17) der beiden Magneträder (13, 15) um einen vorgegebenen Wert, vorzugsweise um die Hälfte der Magnetteilung (α) gegeneinander verschoben angeordnet sind.
Zahnradgetriebestufe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnräder 3, 5 schräg verzahnt angeordnet sind, und dass der axiale Verfahrweg auf einen Maximalwert begrenzt ist.
Lackwerk mit einer Zahnradgetriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.